EP3557023A2 - Ladeluftkühler einer brennkraftmaschine und verfahren zur ladeluftkühlung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Ladeluftkühler einer brennkraftmaschine und verfahren zur ladeluftkühlung einer brennkraftmaschine Download PDF

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EP3557023A2
EP3557023A2 EP19168252.5A EP19168252A EP3557023A2 EP 3557023 A2 EP3557023 A2 EP 3557023A2 EP 19168252 A EP19168252 A EP 19168252A EP 3557023 A2 EP3557023 A2 EP 3557023A2
Authority
EP
European Patent Office
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charge air
flow path
coolant
point
coolant flow
Prior art date
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Granted
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EP19168252.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3557023B1 (de
EP3557023A3 (de
Inventor
Marco Kiel
Jörg Burbank
Matthias VON HAUSEN
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Publication of EP3557023A3 publication Critical patent/EP3557023A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0418—Layout of the intake air cooling or coolant circuit the intake air cooler having a bypass or multiple flow paths within the heat exchanger to vary the effective heat transfer surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0437—Liquid cooled heat exchangers
    • F02B29/0443—Layout of the coolant or refrigerant circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/02—Intercooler
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a charge air cooler of an internal combustion engine with the features according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for charge air cooling of an internal combustion engine having the features according to the preamble of claim 9.
  • a charge air cooler comprises a heat exchanger with which a heat transfer from the charge air flowing through the charge air cooler to a coolant, also referred to as cooling fluid, in particular preferably a cooling fluid, is effected.
  • Intercoolers are designed in design details for the strongest possible heat exchange connection between charge air and coolant.
  • a liquid-cooled intercooler in which the coolant is passed through a network of a plurality of coolant flow paths and brought into heat exchange with the charge air in an effective section.
  • the charge air cooler has a plate stack defining alternating planes of coolant flow paths and charge air paths.
  • each coolant flow path meanders several times along its extent through the intercooler, partial dams limiting the flow path. The dams are notched so that some of the coolant flows through the dams, thereby shortening or bypassing a portion of the coolant flow path.
  • cooling liquids as coolant
  • boiling is absolutely to be avoided in practice, so that no damage to the coolant and / or of components of the internal combustion engine, which are tempered by means of the coolant, occurs due to overheating. If warm air is already compressed to charge an internal combustion engine, however, the compressed charge air can have a temperature which is greater than the boiling temperature of the coolant.
  • the object of the present invention is therefore to design the coolant flow through an intercooler in such a way that boiling of the coolant is prevented.
  • a charge air cooler is provided for cooling the charge air of an internal combustion engine, in other words suitable for cooling the charge air of an internal combustion engine.
  • a charge air cooler is referred to below as a charge air cooler of an internal combustion engine.
  • the intercooler does not include the internal combustion engine.
  • An intercooler of an internal combustion engine comprises a coolant inlet and a coolant outlet, extending from the coolant inlet to the coolant inlet Coolant outlet extending coolant flow path, a charge air inlet, a charge air outlet and extending from the charge air inlet to the charge air outlet charge air path.
  • the charge air path is in heat exchange communication with the coolant flow path along an operative portion of the coolant flow path within the charge air cooler.
  • the coolant flowpath bypasses from a first point of the coolant flowpath to a second point of the coolant flowpath that is downstream of the first point along the coolant flowpath.
  • the bypass has a bypass flow path other than a partial path of the coolant flow path extending between the first and second points.
  • the first point is upstream of the action section at the charge air outlet and the second point downstream of the action section at the charge air inlet, in particular within the charge air cooler.
  • the bypass can also be referred to as a connection or as a diversion.
  • the coolant is in particular a cooling fluid.
  • the coolant flow path and the charge air path are guided through the charge air cooler in such a way that cooling takes place in the countercurrent principle, optionally supplemented in certain embodiments by a simultaneously meandering course of the coolant flow path.
  • the coolant flow path is part of a coolant flow network and the second point is downstream of a collection point of the coolant flow network and / or the charge air path is part of a charge air network through the charge air cooler and the second point is upstream of a branch point of the charge air network.
  • the first point may be upstream of a branch point of the coolant flow network and / or downstream of a collection point of the charge air network.
  • the charge air cooler may have a coolant flow network and / or a charge air network in the operating section. In this case, the second point and / or the first point are outside the coolant flow network and the charge air network.
  • the bypass according to the invention thus avoids the action section in which a particularly strong heat exchange connection between coolant and charge air is used for cooling the charge air, so that the coolant is heated as a result.
  • the charge air cooler of the present invention when the bypass flow path is at least partially in a weaker heat exchange connection with the charge air path than the coolant flow path.
  • heating of the coolant flowing through the bypass flow path is kept as low as possible, preferably completely avoided, so that coolant can be provided at the lowest possible temperature at the charge air inlet.
  • the weaker heat exchange connection can be made constructive in that no direct wall contact between the charge air path and the bypass flow path is realized or that a strong heat insulation is provided between the charge air path and the bypass flow path.
  • the bypass flow path from the first to the second point may have a shorter, in particular a significantly or substantially shorter, path length than the partial path of the coolant flow path.
  • the effectiveness of the charge air cooler according to the invention is further increased in particularly advantageous embodiments in that the bypass flow path is in a heat exchange connection with the charge air path along a direct action section of the bypass flow path before the second point. In this way, during operation, the charge air is deprived of heat by transferring it to the subset of the coolant from the bypass flow path, with a greater heat capacity of the coolant as compared to the no-bypass situation.
  • the direct action section of the bypass flow path is substantially straight, preferably exactly transverse to the charge air path.
  • the intercooler is integrated in a suction pipe of the internal combustion engine, so that a particularly compact design is realized.
  • the intercooler is a component in a low-temperature circuit of a cooling device of the internal combustion engine.
  • the cooling device can also have a high-temperature circuit in addition to the low-temperature circuit.
  • the internal combustion engine may be embodied as a drive engine of a vehicle, in particular of a trackless land vehicle, for example an automobile or a commercial vehicle.
  • charge air flows through an intercooler from a charge air inlet to a charge air outlet along a charge air path.
  • coolant flows through the charge air cooler from a coolant inlet to a coolant outlet along a coolant flow path.
  • the charge air path is in heat exchange communication with the coolant flow path along an effective portion of the cooling flow path inside the charge air cooler.
  • coolant is bypassed from a first point of the coolant flowpath to a second point of the coolant flowpath that is downstream of the first point along the coolant flowpath.
  • the bypass has a diversion flow path that differs from a partial path of the coolant flow path extending between the first and the second point.
  • the coolant is guided through the bypass from the first point upstream of the action section at the charge air outlet to the second point downstream of the action section at the charge air inlet.
  • a charge air cooler with features or feature combinations according to this representation is used. Furthermore or alternatively, such an embodiment of the method is preferably used in an internal combustion engine with features or feature combinations according to this representation.
  • FIG. 1 schematically shows the topology of a particularly advantageous embodiment of the charge air cooler 10 according to the invention.
  • Hot charge air 12 enters the charge air cooler 10 at a charge air inlet 14.
  • Cold charge air 16 leaves the intercooler 10 at a charge air outlet 18.
  • the charge air path therefore runs in this drawing substantially from the bottom up through the intercooler 10.
  • cold coolant 22 passes into the intercooler 10.
  • Starting from the coolant inlet 20 branches the by a sequence of arrows graphically represented coolant flow path on a partial path 24 in a plurality of substantially parallel to each other individual paths.
  • the partial path 24 runs essentially counter to the flow of the charge air through the intercooler 10 and represents an action section 26, in which the coolant is in heat exchange communication with the charge air, so that the temperatures equalize, in particular the temperature of the charge air initially hot drops and the Temperature of the initially cold coolant increases.
  • the coolant heated in this way leaves the charge air cooler 10 collectively via a coolant outlet 28 as hot coolant 30.
  • the intercooler 10 has a bypass 32.
  • coolant passes directly to a detour flow path 34, shown diagrammatically by an arrow, from a first point 36 on the side of, ie, at the charge air outlet 18 to a second point 38 on the side of the charge air inlet 14.
  • the bypass 32 runs separately and thermally isolated from the action section 26, so that there is a significantly lower heat exchange connection, in particular no direct or immediate connection between the bypass flowing through the subset of the coolant and the charge air.
  • the illustrated embodiment further includes a bulkhead 40 that separates a direct action portion 42 of the bypass flowpath 34 through the bypass 32 from the coolant flowpath that also traverses the operative portion 26. In this way, a thermal shield is formed.
  • a heat exchange connection between the bypass 32 flowing through the portion of the coolant and the charge air cooler 10 entering charge air is provided in the cross-flow to the charge air path, so that on this side of the charge air cooler compared to the complementary subset of the coolant, which along the coolant flow path through the charge air cooler flows, cold coolant cools the incoming charge air with a comparatively large heat absorption capacity. In this way, boiling of the liquid coolant is effectively prevented.
  • the specific subset of the coolant flowing through the bypass is designed so that sufficient heat absorption is provided in order to prevent heating of the coolant beyond the boiling point.
  • the bypass has a flow rate limiting device, which can be switched on and off or quantitatively controllable, optionally controllable. In this way, an appropriate subset of coolant may be provided via the bypass, depending on the ambient conditions and / or operating conditions and / or operating parameters, depending on the situation.
  • the FIG. 2 shows a topology of a low-temperature circuit 46 of an embodiment of an internal combustion engine 44 according to the invention with a charge air cooler 10 according to the invention.
  • the charge air cooler 10 is designed in this case as an intake manifold integrated charge air cooler (SiLLK).
  • the low temperature circuit 46 has an electric pump 48, which circulates the coolant controlled in the low-temperature circuit 46.
  • the internal combustion engine is preferably a self-igniting internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine.
  • the low-temperature circuit 46 Parallel to the intercooler 10 is in the low-temperature circuit 46, another component to be cooled 50, for example a Reduktionsffendosiervoriques, in particular a reducing agent for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, an exhaust system of the engine 44, supplied with coolant for temperature control.
  • the low-temperature circuit has a low-temperature cooler 52, in particular with a coolant-air heat exchanger, with the aid of which the amount of heat in the coolant can be reduced.
  • the low temperature radiator 52 may be switched off by interrupting the flow of coolant through the low temperature radiator 52 through the valve 54 and instead passing it through a bypass 56 past the low temperature radiator 52.

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Abstract

Es wird ein Ladeluftkühler (10) einer Brennkraftmaschine (44) mit einem sich von einem Kühlmitteleinlass (20) zu einem Kühlmittelauslass (28) erstreckenden Kühlmittelströmungspfad und einem sich von einem Ladelufteintritt (14) zu einem Ladeluftaustritt (18) erstreckenden Ladeluftpfad offenbart. Entlang eines Wirkungsabschnitts (26) steht der Ladeluftpfad in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittelströmungspfad, wobei der Kühlmittelströmungspfad von einem stromauf des Wirkungsabschnitts (26) am Ladeluftaustritt (18) liegenden ersten Punkt (36) zu einem stromab des ersten Punktes und stromab des Wirkungsabschnitts (26) am Ladelufteintritt (14) liegenden zweiten Punkt (38) einen Bypass (32) mit einem von einem sich zwischen dem ersten (36) und dem zweiten Punkt (38) erstreckenden Teilpfad (24) des Kühlmittelströmungspfads verschiedenen Umleitungsströmungspfad (34) aufweist. Beschrieben wird des Weiteren ein entsprechendes Verfahren zum Ladeluftkühlen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ladeluftkühlung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Bei Brennkraftmaschinen ist es in einer Vielzahl von Betriebssituationen notwendig, die den Brennkammern zuzuführende Ladeluft zu temperieren, insbesondere zu kühlen. Vor allem bei der Aufladung von Brennkraftmaschinen erwärmt sich die eintretende Ladeluft aufgrund der Kompression über den Umgebungsdruck derart stark, dass eine Kühlung nach der Kompression erforderlich ist, um eine gewünschte Füllung der Brennkammern mit Ladeluft zu erreichen. Zu diesem Zweck werden so genannte Ladeluftkühler in der Luftzufuhr der Brennkraftmaschine eingesetzt. Ein Ladeluftkühler umfasst einen Wärmetauscher, mit dem eine Wärmeübertragung von der den Ladeluftkühler durchströmenden Ladeluft auf ein Kühlmittel, auch als Kühlfluid bezeichnet, insbesondere bevorzugt eine Kühlflüssigkeit, bewirkt wird.
  • Ladeluftkühler sind in konstruktiven Details für eine möglichst starke Wärmeaustauschverbindung zwischen Ladeluft und Kühlmittel ausgelegt. Beispielsweise wird im Dokument DE 10 2007 021 708 A1 ein flüssigkeitsgekühler Ladeluftkühler beschrieben, in welchem das Kühlmittel über ein Netz aus mehreren Kühlmittelströmungspfaden geführt und in Wärmeaustausch mit der Ladeluft in einem Wirkungsabschnitt gebracht wird. Der Ladeluftühler weist einen Plattenstapel auf, welcher abwechselnde Ebenen von Kühlmittelströmungspfaden und Ladeluftpfaden definiert. Im Wirkungsabschnitt meandriert jeder Kühlmittelströmungspfad mehrfach entlang seiner Erstreckung durch den Ladeluftkühler, wobei teilweise Dämme den Strömungspfad begrenzen. Die Dämme sind mit Kerben versehen, so dass ein Teil des Kühlmittels durch die Dämme hindurchströmen und dabei einen Teilabschnitt des Kühlmittelströmungspfads abkürzt oder umgeht. Die mittels der Kerben realisierten Bypässe haben gemäß der Darstellung im Dokument DE 10 2007 021 708 A1 die Wirkung, dass eine gute Kühlmittelströmungsverteilung erreicht wird. Diese Wirkung scheint insbesondere dadurch erzielt zu werden, dass die Kerben in den Dämmen in Strömungsumlenkungsabschnitten des meandrierenden Kühlmittelströmungspfades beginnen und/oder münden.
  • Bei Kühlflüssigkeiten als Kühlmittel ist in der Praxis ein Sieden unbedingt zu vermeiden, damit keine Schädigungen des Kühlmittels und/oder von Bauteilen der Brennkraftmaschine, welche mittels des Kühlmittels temperiert werden, durch Überhitzung auftreten. Wird bereits warme Luft zur Aufladung einer Brennkraftmaschine verdichtet, kann die komprimierte Ladeluft allerdings eine Temperatur aufweisen, welche größer als die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Kühlmitteldurchströmung eines Ladeluftkühlers derart auszugestalten, dass einem Sieden des Kühlmittels vorgebeugt ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ladeluftkühler mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft einer Brennkraftmaschine, anders gesagt geeignet für das Kühlen der Ladeluft einer Brennkraftmaschine geschaffen: Ein derartiger Ladeluftkühler wird nachfolgend als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine bezeichnet. Dabei umfasst der Ladeluftkühler die Brennkraftmaschine nicht.
  • Ein erfindungsgemäßer Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine umfasst einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen sich vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass erstreckenden Kühlmittelströmungspfad, einen Ladelufteintritt, einen Ladeluftaustritt und einen sich vom Ladelufteintritt zum Ladeluftaustritt erstreckenden Ladeluftpfad. Der Ladeluftpfad steht entlang eines Wirkungsabschnitts des Kühlmittelströmungspfades innerhalb des Ladeluftkühlers mit dem Kühlmittelströmungspfad in Wärmeaustauschverbindung. Der Kühlmittelströmungspfad weist von einem ersten Punkt des Kühlmittelströmungspfades zu einem zweiten Punkt des Kühlmittelströmungspfades, der entlang des Kühlmittelströmungspfads stromab des ersten Punktes liegt, einen Bypass auf. Der Bypass hat einen von einem sich zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt erstreckenden Teilpfad des Kühlmittelströmungspfads verschiedenen Umleitungsströmungspfad. Erfindungsgemäß liegen der erste Punkt stromauf des Wirkungsabschnitts am Ladeluftaustritt und der zweite Punkt stromab des Wirkungsabschnitts am Ladelufteintritt, insbesondere innerhalb des Ladeluftkühlers.
  • Der Bypass kann auch als Verbindung oder als Umleitung bezeichnet werden. Das Kühlmittel ist insbesondere eine Kühlflüssigkeit. Bevorzugt sind der Kühlmittelströmungspfad und der Ladeluftpfad derart durch den Ladeluftkühler geführt, dass eine Kühlung im Gegenstromprinzip, gegebenenfalls in bestimmten Ausführungsformen ergänzt um einen gleichzeitig in Querrichtung meandrierenden Verlauf des Kühlmittelströmungspfades, stattfindet.
  • Im erfindungsgemäßen Ladeluftkühler wird über den Bypass Kühlmittel direkt von einem ersten Punkt im Kühlmittelströmungspfad am, also in der Nähe des, bevorzugt genau am Ladeluftaustritt - daher mit geringerer Wärmeaustauschverbindung zur Ladeluft als im gesamten Wirkungsabschnitt -, bevor es im Wirkungsabschnitt in Wärmeaustausch mit der Ladeluft getreten ist, an einen stromabwärts liegenden zweiten Punkt an, also in der Nähe, bevorzugt direkt an den Punkt, des Ladelufteintritts in den Wärmetauscher gebracht. Auf diese Weise wird eine Teilmenge von Kühlmittel am Eintritt der Ladeluft bereitgestellt, wobei diese Teilmenge eine geringere Temperatur und damit eine höhere Aufnahmekapazität von Wärme aus der Ladeluft aufweist als die komplementäre Teilmenge des Kühlmittels, welche den Kühlmittelströmungspfad entlang des gesamten Wirkungsabschnitts passiert hat. Dadurch gelangt im Betrieb des Ladeluftkühlers am Ladelufteintritt Kühlmittel mit einer im Vergleich zur Situation ohne Einsatz eines Bypasses geringeren Temperatur zum Einsatz. Der Gefahr eines unerwünschten Siedens des Kühlmittels am Ladelufteintritt wird damit durch die konstruktive Ausführung des Ladeluftkühlers entgegengetreten.
  • In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers ist der Kühlmittelströmungspfad Teil eines Kühlmittelströmungsnetzes und der zweite Punkt liegt stromab eines Sammelpunktes des Kühlmittelströmungsnetzes und/oder ist der Ladeluftpfad Teil eines Ladeluftnetzes durch den Ladeluftkühler und liegt der zweite Punkt stromauf eines Verzweigungspunktes des Ladeluftnetzes. Des Weiteren oder alternativ dazu kann der erste Punkt stromauf eines Verzweigungspunktes des Kühlmittelströmungsnetzes und/oder stromab eines Sammelpunktes des Ladeluftnetzes liegen. Mit anderen Worten, in diesen Ausführungsformen kann der Ladeluftkühler im Wirkungsabschnitt ein Kühlmittelströmungsnetz und/oder ein Ladeluftnetz aufweisen. Dabei liegen der zweite Punkt und/oder der erste Punkt außerhalb des Kühlmittelströmungsnetzes und des Ladeluftnetzes. Der erfindungsgemäße Bypass vermeidet damit den Wirkungsabschnitt, in welchem eine besonders starke Wärmeaustauschverbindung zwischen Kühlmittel und Ladeluft zur Kühlung der Ladeluft genutzt wird, so dass sich in der Folge das Kühlmittel erwärmt.
  • Es ist besonders vorteilhaft für den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler, wenn der Umleitungsströmungspfad wenigstens teilweise in einer schwächeren Wärmeaustauschverbindung mit dem Ladeluftpfad als der Kühlmittelströmungspfad steht. In derartigen Ausführungsformen wird eine Erwärmung des den Umleitungsströmungspfad durchströmenden Kühlmittels möglichst gering gehalten, bevorzugt ganz vermieden, so dass Kühlmittel mit einer möglichst niedrigeren Temperatur am Ladelufteintritt bereitgestellt werden kann. Konkret kann die schwächere Wärmeaustauschverbindung dadurch konstruktiv ausgeführt werden, dass kein direkter Wandkontakt zwischen Ladeluftpfad und Umleitungsströmungspfad realisiert wird oder dass eine starke Wärmeisolation zwischen Ladeluftpfad und Umleitungsströmungspfad vorgesehen wird. Beispielsweise kann der Umleitungsströmungspfad vom ersten zum zweiten Punkt eine kürzere, insbesondere eine deutlich oder wesentlich kürzere Weglänge als der Teilpfad des Kühlmittelströmungspfads aufweisen.
  • Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers wird in besonders vorteilhaften Ausführungsformen dadurch noch weiter gesteigert, dass der Umleitungsströmungspfad mit dem Ladeluftpfad entlang eines Direktwirkungsabschnitts des Umleitungsströmungspfades vor dem zweiten Punkt in einer Wärmeaustauschverbindung steht. Auf diese Weise wird im Betrieb der Ladeluft Wärme entzogen, indem diese auf die Teilmenge des Kühlmittels aus dem Umleitungsströmungspfad übertragen wird, wobei eine verglichen zur Situation ohne Bypass größere Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmittels besteht.
  • In einer einfachen und kompakten Konstruktion derartiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers verläuft der Direktwirkungsabschnitts des Umleitungsströmungspfades im Wesentlichen, bevorzugt genau quer zum Ladeluftpfad.
  • Im Zusammenhang der Erfindung steht auch eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine aufladbare Brennkraftmaschine, welche einen Ladeluftkühler mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung aufweist. Die Brennkraftmaschine kann eine fremdgezündete, insbesondere funkengezündete oder (bevorzugt) eine selbstzündende Brennkraftmaschine sein. In vorteilhaften Ausführungsformen der Brennkraftmaschine ist der Ladeluftkühler in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine integriert, so dass eine besonders kompakte Bauform realisiert ist. Des Weiteren oder alternativ dazu ist der Ladeluftkühler eine Komponente in einem Niedertemperaturkreislauf einer Kühleinrichtung der Brennkraftmaschine. Die Kühleinrichtung kann neben dem Niedertemperaturkreislauf auch einen Hochtemperaturkreislauf aufweisen. Auf diese Weise kann der Ladeluftkühler neben weiteren zu kühlenden Bauteilen oder Komponenten mit Kühlmittel versorgt, gegebenenfalls gesteuert oder geregelt versorgt werden.
  • Die Brennkraftmaschine kann als Antriebsmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines gleislosen Landkraftfahrzeugs, zum Beispiel eines Automobils oder eines Nutzfahrzeugs, ausgeführt sein.
  • Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch ein Verfahren zur Ladeluftkühlung einer Brennkraftmaschine. In diesem Verfahren durchströmt Ladeluft einen Ladeluftkühler von einem Ladelufteintritt zu einem Ladeluftaustritt entlang eines Ladeluftpfads. Des Weiteren durchströmt Kühlmittel den Ladeluftkühler von einem Kühlmitteleinlass zu einem Kühlmittelauslass entlang eines Kühlmittelströmungspfads. Dabei steht der Ladeluftpfad entlang eines Wirkungsabschnitts des Kühlungsströmungspfades innerhalb des Ladeluftkühlers in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittelströmungspfad. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird Kühlmittel von einem ersten Punkt des Kühlmittelströmungspfades zu einem zweiten Punkt des Kühlmittelströmungspfades, der entlang des Kühlmittelströmungspfads stromab des ersten Punktes liegt, durch einen Bypass geführt. Dabei weist der Bypass einen von einem sich zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt erstreckenden Teilpfad des Kühlmittelströmungspfads verschiedenen Umleitungsströmungspfad auf. Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel durch den Bypass vom ersten Punkt stromauf des Wirkungsabschnitts am Ladeluftaustritt zum zweiten Punkt stromab des Wirkungsabschnitts am Ladelufteintritt geführt.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ladeluftkühler mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung verwendet. Des Weiteren oder alternativ dazu wird eine derartige Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt in einer Brennkraftmaschine mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung angewendet.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt, so dass die Erfindung sowie das technische Umfeld nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es für den Fachmann, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind.
  • Es zeigt im Einzelnen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung der Topologie einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers, und
    Figur 2
    eine Topologie eines Niedertemperaturkreislaufs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler.
  • In der Figur 1 ist schematisch die Topologie einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers 10 dargestellt. Heiße Ladeluft 12 tritt an einem Ladelufteintritt 14 in den Ladeluftkühler 10 ein. Kalte Ladeluft 16 verlässt den Ladeluftkühler 10 an einem Ladeluftaustritt 18. Der Ladeluftpfad verläuft daher in dieser Zeichnung im Wesentlichen von unten nach oben durch den Ladeluftkühler 10. An einem Kühlmitteleinlass 20 gelangt kaltes Kühlmittel 22 in den Ladeluftkühler 10. Ausgehend vom Kühlmitteleinlass 20 verzweigt sich der durch eine Abfolge von Pfeilen zeichnerisch dargestellte Kühlmittelströmungspfad auf einem Teilpfad 24 in mehrere im Wesentlichen zueinander parallele Einzelpfade. Der Teilpfad 24 verläuft im Wesentlichen entgegen der Strömung der Ladeluft durch den Ladeluftkühler 10 und stellt einen Wirkungsabschnitt 26 dar, in welchem das Kühlmittel mit der Ladeluft in Wärmeaustauschverbindung steht, so dass sich die Temperaturen angleichen, insbesondere die Temperatur der zunächst heißen Ladeluft sinkt und die Temperatur des zunächst kalten Kühlmittels ansteigt. Das auf diese Weise erwärmte Kühlmittel verlässt gesammelt über einen Kühlmittelauslass 28 als heißes Kühlmittel 30 den Ladeluftkühler 10.
  • Erfindungsgemäß weist der Ladeluftkühler 10 einen Bypass 32 auf. Durch den Bypass 32 gelangt Kühlmittel auf einem zeichnerisch durch einen Pfeil dargestellten Umleitungsströmungspfad 34 direkt in Umgehung des Wirkungsabschnitts 26 von einem ersten Punkt 36 auf der Seite des, also am Ladeluftaustritt 18 zu einem zweiten Punkt 38 auf der Seite des, also am Ladelufteintritt 14. Der Bypass 32 verläuft getrennt und thermisch isoliert vom Wirkungsabschnitt 26, so dass eine deutlich geringere Wärmeaustauschverbindung, insbesondere keine direkte oder unmittelbare Verbindung zwischen der den Bypass durchströmenden Teilmenge des Kühlmittels und der Ladeluft besteht.
  • Die in der Figur 1 gezeigte Ausführungsform weist des Weiteren eine Schottwand 40 auf, welche einen Direktwirkungsabschnitt 42 des Umleitungsströmungspfades 34 durch den Bypass 32 vom Kühlmittelströmungspfad, welcher auch den Wirkungsabschnitt 26 durchläuft, abtrennt. Auf diese Weise wird ein thermischer Schutzschild gebildet. Im Direktwirkungsabschnitt 42 wird im Querstrom zum Ladeluftpfad eine Wärmeaustauschverbindung zwischen der den Bypass 32 durchströmenden Teilmenge des Kühlmittels und der in den Ladeluftkühler 10 eintretenden Ladeluft bereitgestellt, so dass das auf dieser Seite des Ladeluftkühlers im Vergleich zur komplementären Teilmenge des Kühlmittels, welche entlang des Kühlmittelströmungspfades durch den Ladeluftkühler strömt, kalte Kühlmittel die eintretende Ladeluft mit einer vergleichsweise großen Wärmeaufnahmekapazität kühlt. Auf diese Weise wird einem Sieden des flüssigen Kühlmittels wirksam vorgebeugt.
  • Die konkrete Teilmenge des Kühlmittels, welche durch den Bypass strömt, wird so ausgelegt, dass eine ausreichende Wärmeaufnahme bereitgestellt wird, um eine Erwärmung des Kühlmittels über die Siedetemperatur hinaus, vermieden wird. Hier nicht zeichnerisch dargestellt ist eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers, in welchem der Bypass eine Durchflussmengenbegrenzungsvorrichtung aufweist, welche ein- und ausschaltbar oder quantitativ steuerbar, gegebenenfalls regelbar, sein kann. Auf diese Weise kann situativ gemäß den Umgebungsbedingungen und/oder den Betriebsbedingungen und/oder den Betriebsparametern eine angemessene Teilmenge von Kühlmittel über den Bypass bereitgestellt werden.
  • Die Figur 2 zeigt eine Topologie eines Niedertemperaturkreislaufs 46 einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 44 mit einem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 10. Der Ladeluftkühler 10 ist in diesem Fall als saugrohrintegrierter Ladeluftkühler (SiLLK) ausgeführt. Der Niedertemperaturkreislauf 46 weist eine elektrische Pumpe 48 auf, welche das Kühlmittel im Niedertemperaturkreislauf 46 gesteuert umwälzt. Bevorzugt handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um eine selbstzündenden Brennkraftmaschine, insbesondere eine Dieselbrennkraftmaschine. Parallelgeschaltet zum Ladeluftkühler 10 ist im Niedertemperaturkreislauf 46 eine weitere zu kühlende Komponente 50, zum Beispiel eine Reduktionsmitteldosiervorrichtung, insbesondere eines Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden, einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine 44, mit Kühlmittel zur Temperierung versorgt. Darüber hinaus weist der Niedertemperaturkreislauf einen Niedertemperaturkühler 52, insbesondere mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher, auf, mit dessen Hilfe die Wärmemenge im Kühlmittel reduziert werden kann. Der Niedertemperaturkühler 52 kann dadurch abgeschaltet werden, dass der Fluss des Kühlmittels mittels des Ventils 54 durch den Niedertemperaturkühler 52 unterbrochen und stattdessen durch eine Umgehungsleitung 56 am Niedertemperaturkühler 52 vorbei geleitet wird.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Ladeluftkühler
    12
    heiße Ladeluft
    14
    Ladelufteintritt
    16
    kalte Ladeluft
    18
    Ladeluftaustritt
    20
    Kühlmitteleinlass
    22
    kaltes Kühlmittel
    24
    Teilpfad
    26
    Wirkungsabschnitt
    28
    Kühlmittelauslass
    30
    heißes Kühlmittel
    32
    Bypass
    34
    Umleitungsströmungspfad
    36
    erster Punkt
    38
    zweiter Punkt
    40
    Schottwand
    42
    Direktwirkungsabschnitt
    44
    Brennkraftmaschine
    46
    Niedertemperaturkreislauf
    48
    elektrische Pumpe
    50
    weitere Komponente
    52
    Niedertemperaturkühler
    54
    Ventil
    56
    Umgehungsleitung

Claims (10)

  1. Ladeluftkühler (10) einer Brennkraftmaschine (44), mit einem Kühlmitteleinlass (20) und einem Kühlmittelauslass (28), einem sich vom Kühlmitteleinlass (20) zum Kühlmittelauslass (28) erstreckenden Kühlmittelströmungspfad, einem Ladelufteintritt (14), einem Ladeluftaustritt (18) und einem sich vom Ladelufteintritt (14) zum Ladeluftaustritt (18) erstreckenden Ladeluftpfad, welcher entlang eines Wirkungsabschnitts (26) des Kühlmittelströmungspfades innerhalb des Ladeluftkühlers (10) in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittelströmungspfad steht, wobei der Kühlmittelströmungspfad von einem ersten Punkt (36) des Kühlmittelströmungspfades zu einem zweiten Punkt (38) des Kühlmittelströmungspfades, der entlang des Kühlmittelströmungspfads stromab des ersten Punktes (36) liegt, einen Bypass (32) mit einem von einem sich zwischen dem ersten (36) und dem zweiten Punkt (38) erstreckenden Teilpfad (24) des Kühlmittelströmungspfads verschiedenen Umleitungsströmungspfad (34) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet
    dass der erste Punkt (36) stromauf des Wirkungsabschnitts (26) am Ladeluftaustritt (18) und der zweite Punkt (38) stromab des Wirkungsabschnitts (26) am Ladelufteintritt (14) liegen.
  2. Ladeluftkühler (10) gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet
    der Kühlmittelströmungspfad Teil eines Kühlmittelströmungsnetzes ist und der zweite Punkt (38) stromab eines Sammelpunktes des Kühlmittelströmungsnetzes liegt und/oder der Ladeluftpfad Teil eines Ladeluftnetzes durch den Ladeluftkühler ist und der zweite Punkt (38) stromauf eines Verzweigungspunktes des Ladeluftnetzes liegt.
  3. Ladeluftkühler (10) gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet
    dass Kühlmittelströmungspfad Teil eines Kühlmittelströmungsnetzes ist und der erste Punkt (36) stromauf eines Verzweigungspunktes des Kühlmittelströmungsnetzes liegt und/oder der Ladeluftpfad Teil eines Ladeluftnetzes durch den Ladeluftkühler ist und der erste Punkt (36) stromab eines Sammelpunktes des Ladeluftnetzes liegt.
  4. Ladeluftkühler (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet
    dass der Umleitungsströmungspfad (34) wenigstens teilweise in einer schwächeren Wärmeaustauschverbindung mit dem Ladeluftpfad als der Kühlmittelströmungspfad steht.
  5. Ladeluftkühler (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet
    dass der Umleitungsströmungspfad mit dem Ladeluftpfad entlang eines Direktwirkungsabschnitts (42) des Umleitungsströmungspfades (34) vordem zweiten Punkt in einer Wärmeaustauschverbindung steht.
  6. Ladeluftkühler (10) gemäß Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet
    dass der Direktwirkungsabschnitts (42) des Umleitungsströmungspfades (34) im Wesentlichen quer zum Ladeluftpfad verläuft.
  7. Brennkraftmaschine (44) mit einem Ladeluftkühler (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Brennkraftmaschine (44) gemäß Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet
    dass der Ladeluftkühler (10) in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine (44) integriert ist und/oder dass der Ladeluftkühler (10) eine Komponente in einem Niedertemperaturkreislauf (46) einer Kühleinrichtung der Brennkraftmaschine (44) ist und/oder dass die Brennkraftmaschine (44) aufladbar ist.
  9. Verfahren zur Ladeluftkühlung einer Brennkraftmaschine (44), in welchem Ladeluft einen Ladeluftkühler (10) von einem Ladelufteintritt (14) zu einem Ladeluftaustritt (18) entlang eines Ladeluftpfads durchströmt und Kühlmittel den Ladeluftkühler (10) von einem Kühlmitteleinlass (20) zu einem Kühlmittelauslass (28) entlang eines Kühlmittelströmungspfads durchströmt, wobei der Ladeluftpfad entlang eines Wirkungsabschnitts (26) des Kühlungsströmungspfades innerhalb des Ladeluftkühlers (10) in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittelströmungspfad steht, und in welchem Kühlmittel von einem ersten Punkt (36) des Kühlmittelströmungspfades zu einem zweiten Punkt (38) des Kühlmittelströmungspfades, der entlang des Kühlmittelströmungspfads stromab des ersten Punktes (36) liegt, durch einen Bypass (32) geführt wird, der einen von einem sich zwischen dem ersten (36) und dem zweiten Punkt (38) erstreckenden Teilpfad (24) des Kühlmittelströmungspfads verschiedenen Umleitungsströmungspfad (34) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet
    dass das Kühlmittel durch den Bypass (32) vom ersten Punkt (36) stromauf des Wirkungsabschnitts (26) am Ladeluftaustritt (18) zum zweiten Punkt (38) stromab des Wirkungsabschnitts am Ladelufteintritt (14) geführt wird.
  10. Verfahren zur Ladeluftkühlung einer Brennkraftmaschine (44) gemäß Anspruch 9,
    gekennzeichnet durch
    die Verwendung eines Ladeluftkühlers (10) mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6 und/oder die Anwendung des Verfahrens in einer Brennkraftmaschine (44) mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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